毕业设计（论文）-整流变压器设计.doc

北华大学毕业设计（论文）提供全套毕业设计，欢迎咨询摘要随着电力系统的日益发展，在高度现代化的今天，几乎在每一个领域都能直接地或间接地看到工业用的整流直流电源的巨大用途，整流变压器主要用在电化学工业。因不同的整流电路需要不同的整流变压器设计，双反星带平衡电抗器整流电路和桥式整流电路相比，在同样负载直流电流下因其臂电流平均值是桥式整流电路的一半，且管压降也是后者的一半，因而被广泛用在低电压大电流系统中。但由于增加了平衡电抗器也增加了变压器复杂性和很多隐患，取消平衡电抗器三相五柱式整流变压器恰恰克服了平衡电抗器的缺点。本论文研究的是就实际问题对比系统是采用桥式整流电路还是双反星整流电路应进行分析，平衡电抗器带来的隐患、缺点。以及取消平衡电抗器采用三相五柱式整流变压器设计的优点、理论基础，设计变压器计算单进行器件的选择,并绘制整体布置图。作为一个实际的工程设计课题,论文所论述的大部分思想已经在实验室的实验中获得成功，实验结果表明该取消平衡电抗器三相五柱式整流变压器具有较好的性能。关键词：整流变压器，平衡电抗器，直流电源abstractwith the growing power system development, at a height of the modernization of today, in almost every area can directly or indirectly, to see industrial use in dc power rectifier great purposes, rectifier transformers are used in electrochemical industries. because of different rectifier circuits require different rectifier transformer design, dual-zone balance reactor rectifier circuit and bridge rectifier circuit, the dc in the same load shedding his arm is the current average of the bridge rectifier circuit half, and the pressure drop is of the latter half, they have been widely used in low voltage high current systems. but due to the increase in the balance reactor has increased transformer complexity and many hidden problems. canceled balance reactor five three-phase transformer - rectifier is precisely to overcome the balance of reactor shortcomings. on the question of research on practical issues contrast system is used bridge rectifier circuits or dual-rectifier circuit to be analyzed reactor balance the implicit and shortcomings. and the cancellation of balance reactor using three-phase rectifier transformers five pole design advantages, the theoretical basis, transformer design calculations for single device choice， and the mapping of the overall layout.as a practical engineering design issues, paper discussed by the majority of thinking in laboratory experiments to be successful, experimental results show that the abolition of reactor balance three-phase rectifier transformers-5 with a good performance.key words：rectifier transformers，balance reactor，dc power- 3 -目录摘要1abstract2引言31 概述31.1 变压器的意义31.2 变压器的定义和工作原理31.3 整流变压器作用及发展概况31.3.1 整流变压器的作用及主要用途31.3.2 整流变压器的特点31.3.3 整流变压器装置的发展趋势31.4 本课题的提出及其意义32 整流方案的选择32.1 引言32.2 常用三相整流电路的比较和选择32.2.1 常用整流电路的比较32.2.2 常用三相整流电路的选择32.3 类型选择32.3.1 桥式32.3.2 双反星32.3.3 选择理由33 三相五柱式整流变压器的概述33.1 引言33.2 三相五柱式整流变压器的定义33.3 三相五柱式整流变压器的功能特点及应用33.3.1 三相五柱式整流变压器的功能特点33.3.2 三相五柱式整流变压器的应用33.4 三相五柱式整流变压器物理本质33.5 三相五柱式整流变压器的数学论证33.6 与带平衡电抗器整流变压器整流电路的性能比较33.6.1 三相带平衡电抗器整流变压器整流电路的原理33.6.2 可靠性方面33.6.3 工艺方面33.6.4 耗材方面33.6.5 产品的艺术形象34 变压器计算单设计34.1 概述34.2 数据计算34.2.1 铁心直径确定34.2.2 线圈匝数确定34.2.3 线圈类型确定34.2.4 线圈轴向辐向尺寸计算34.2.5 绝缘半径和窗高计算34.2.6 阻抗电压计算34.2.7 线圈数据计算34.2.8 铁心数据计算34.2.9 油箱尺寸计算35 三相五柱式整流变压器各部分单元设计35.1 铁心设计35.2 线圈设计35.3 高压引线35.4 低压引线36 总装图设计36.1 总设计图36.2 变压器使用说明3结 论3参 考 文 献3附录a计算单3附录b总设计图和其它部分设计图3致谢3北华大学毕业设计（论文）引言整流电路工业上常用的电联结方式是双反星形带平衡电抗器联结和三相桥式联结。双反星形带平衡电抗器整流电路多用在低压、大电流的电源中,因为在同样输出电流情况下,它比桥式整流少用一半整流器件,但是它的整流变压器利用率较低,在同等功率情况下,变压器容量比三相桥式整流变压器高20左右；在电压较高的整流电路中,一般采用三相桥式整流电路,该电路的变压器利用率高,在同等直流功率情况下,可以使用最小容量的整流变压器,从而使整个设备的造价降低。在众多整流电路中，双反星形带平衡电抗器的整流电路装置结构简单、需要的冷却功率较低，然而，整流装置的这一优势却带来了电压器部分的复杂性，其归根到底就是由于平衡电抗器的存在。平衡电抗器设置在变压器的外部，增加了土建面积，不仅对老厂改造有困难，就是新建工厂，一般也不可取。若设置在变压器内部，不仅增加了变压器的造价，而且大大的增加了设备的制造难度，使产品的可靠性受到影响。因此常采用五柱式铁心，不仅可以取消平衡电抗器，同时又可达到两组三相半波整流电路的顺利实现并联工作的目的，因此五柱式铁心有着广泛的应用前景。1 概述1.1 变压器的意义自从匈牙利冈茨工厂于1985年制造第一台单相变压器以来，至今已120多年了。由于电能是能量传送的最好的形式，所以变压器诞生不久就获得了应用。在一个多世纪内电力事业获得了飞速的发展，我国变压器制造业也取得了重大发展，国产的大容量三相电力变压器，特别是500kv级超高电压电力变压器在20世纪80年代初已投入运行。变压器一般分为电力变压器和特种变压器两大类，电力变压器可分为发电变压器、输电变压器、联络变压器和配电变压器等。发电变压器是把发电机发出的电能电压升高，以便远距离输送电能。因为输送电功率一定时，只有将电压升高，电流才可以减少，从而减少能量消耗。变压器还能把电压降低，满足用户的需要。要在用点的地方建立一次和二次变电所，用输电变压器把传输来的高压电能降到合适的电压。最后，用配电变压器将电能直接送给用户。变压器的用途十分广泛，品种、规格繁多。1.2 变压器的定义和工作原理变压器是借助于电磁感应，以相同的频率，在两个或更多的绕组之间，交换交流电压和电流传输交流电能的一种静态电器。变压器的基本原理是法拉第电磁感应原理。变压器几乎在所有的电子产品中都要用到，它原理简单但根据不同的使用场合（不同的用途）变压器的绕制工艺会有所不同。变压器的功能主要有：电压变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等，变压器常用的铁心形状一般有壳式铁芯和心式铁芯两种。变压器的损耗当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁心流动，因为铁心本身也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在铁心的断面上形成闭合回路并产生电流，好象一个旋涡所以称为“涡流”。这个“涡流”使变压器的损耗增加，并且使变压器的铁心发热变压器的温升增加。由“涡流”所产生的损耗我们称为“铁损”。另外要绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种损耗为“铜损”。所以变压器的温升主要由铁损和铜损产生的。由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率，为此引入了一个效率的参数来对此进行描述，=输出功率/输入功率。1.3 整流变压器作用及发展概况1.3.1 整流变压器的作用及主要用途变流是整流、逆流和变频三种工作方式的总称，整流是其中应用最广泛的一种。作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。工业用的整流直流电源大部分都是由交流电网通过整流变压器与整流设备而得到的。整流变压器的主要用途如下：1.电化学工业这是应用整流变最多的行业，电解有色金属化合物以制取铝、镁、铜及其它金属；电解食盐以制取氯碱；电解水以制取氢和氧。2.牵引用直流电源用于矿山或城市电力机车的直流电网。由于阀侧接架空线，短路故障较多，直流负载变化辐度大，电机车经常起动，造成不同程度的短时过载。为此这类变压器的温升限值和电流密度均取得较低。阻抗比相应的电力变压器大30%左右。3.传动用直流电源主要用来为电力传动中的直流电机供电，如轧钢电机的电枢和励磁。4.直流输电用这类整流变压器的电压一般在110kv以上，容量在数万千伏安。需特别注意对地绝缘的交、直流叠加问题。此外还有电镀用或电加工用直流电源，励磁用直流电源，充电用及静电除尘用直流电源等。应用整流变压器最多的化学行业中，大功率整流装置特点是二次电压低，电流很大，整流变压器最大的特点是二次电流不是正弦交流了，由于后续整流元件的单向导通特征，单方向的脉动电流经滤波装置变为直流电，整流变压器的二次电压，电流与容量和整流连接方式有关，如常用的三相桥式整流线路，双反星带平衡电抗器的整流线路，对于同样的直流输出电压、电流所需的整流变压器的二次电压和电流却不相同，因此整流变压器的参数计算是以整流线路为前提的，一般参数计算都是从二次侧开始向一次侧推算的。1.3.2 整流变压器的特点对于日常照明和工厂动力的配电变压器以及用于电力系统中的电力变压器，基本都有所了解。因此通过对比其于电力变压器的不同点和相同点来介绍整流变压器的特点和具体情况。1.与电力变压器的共同点1) 外观相似 从外观上来看，两者都是一种静止的电器设备。2) 结构类似 从结构上来看，整流变压器的器身也是饶在共同铁心上的两个或两个以上的绕组组成的。3) 原理相同 从工作原理上看，可以看成整流变压器和电力变压器一样，都是根据法拉第电磁感应定理，通过交变磁场把一次绕和二次绕组联系到一起，从而完成改变电压、电流和传递电能的功能。2.与电力变压器的不同1) 对于等效相数的要求：为了提高电能质量，整流变压器的输出电压波形不象电力变压器，在一个周期内只有3个正弦脉波，而是根据网侧电压和装机容量确定每台变压器在一周内的脉波数，大型整流变压器的脉波数至少为6个，最多可以到12个，以满足水电部1984年颁布的规定电力系统谐波管理暂行规定的要求。2) 表现在输出电压方面的差异：称呼上的差异，由于和整流的紧密结合，整流变压器输出电压称为阀侧电压。起名称起因于硅二极管的单相导电性。当整流臂的正极电位比负极高时，整流变压器的输出电压大于0，低时等于0；计算方法上的不同，由于整流装置负载电流的波形各异 ，其输出电流的计算方法不仅与电力变压器的有很大的不同，而且不同的整流电路，其计算方法也是不同的；调压的目的和范围上的差异，一般而言，电力变压器的输出的电压值要求为不变值。为达到这个目的，电力变压器的电压调节取决于电网电压的波动范围；而整流变压器，不仅像电力变压器一样，为弥补电网电压波动而引起的直流电压的变化，而且还由于负载本身的需要，整流变压器的阀侧电压必须能在一个较大的范围内进行调整。对于不同的直流负载，要求电压调节的范围也是不一样的。例如铝电解负载。调压范围是在10%105%；食盐电解负载为60%105%；对于节能的要求更加强烈 从负载分配上来看，对于铝厂和电化学厂，装机容量考虑的重点是直流负载。1.3.3 整流变压器装置的发展趋势1提高运行可靠性的技术1） 提高绝缘性能的技术由于避雷器性能的改进，与其进行绝缘配合的各类试验电压（如雷电与操作波冲击试验电压、工频试验电压和局放试验电压）可得到降低，即试验电压与额定电压的比值可降低。电压等级越高，比值降低越多。因此对于特高压和超高压产而言，更要注意的是设备处于长期最高工作电压下的运行可靠性。因而应以设备长期最高工作电压下的作用场强低于绝缘结构的许用场强作为研发特高压和超压绝缘结构的原则。要十分注意设备长期最高工作电压对绝缘强度的影响。采用局部放电无损探伤的试验方法来考核绝缘结构的可靠性是绝缘技术的发展趋势，因此不但要对特高压、超高压及高压变压器进行局部放电试验，而且对配电变压器也要进行局部放电试验。根据运行经验，能通过局部放电试验的设备往往具有较高的绝缘可靠性。所以控制场强的技术是设计技术的发展趋势，对变压器的安全、可靠运行十分重要。2） 提高热性能的技术现在大家关心的是变压器绕组的平均温升，因为在温升试验中可用电阻法测定各个绕组的平均温升。但是绕组平均温升只是一种考核变压器热性能的试验指标，它不代表在各种运行方式下的绕组的实际温升。变压器选用的各种耐热等级的绝缘材料都有热老化寿命的温度指标。以油浸式变压器而言，当绕组热点温度为98时具有额定预期寿命。在变压器内的导线附近埋光纤式温度传感器，从多个传感器探测绕组温度是将来的发展趋势。3) 提高耐受机械力性能的技术2. 满足环保性能的技术1） 运行时的噪声2） 附加空载噪声在直流输电系统接地极附近，高压中点接地的变压器中还会有因直流输电单极运行而引起的直流偏磁所产生的附加空载噪声。故运行中应设法消除直流偏磁的影响。3. 配套主要组件（1）套管。应具备低介质损耗、低介质增量、低局放、低无线电干扰，少维护等性能。（2）有载调压分接开关。应具备级电压高、开断电流大、能开断接近方波的电流、电寿命与机械寿命长、能连续切换、少维护、能在真空泡内熄弧等性能。（3）金属膨胀式储油柜。应具备已脱氢处理、能语言报警、全密封式、耐负压力等性能。4. 节能技术综上所述，随着国内交直流输电系统的发展，国产变压器类设备会向低局放、低损耗、低噪声、低振动及高可靠性方向发展。1.4 本课题的提出及其意义随着生活水平的不断上升，人们对用电的要求不断加强，这就要求用电设备的安全和可靠性的进一步的提高，能源的节约，环保的重要性成了人们日益关注的问题。变压器就是被人们特别关注的地方，对于不同的要求，设计不同需要的变压器可以进一步提高资源的合理利用。特种变压器就是在电力变压器的基础上发展起来的，具有特殊功能的变压器。它几乎遍布国民经济的各个领域。在电力、冶金、矿山、石油、化工、铁路、和环保等领域都有着广泛的应用。其中工业用的整流直流电源大部分都是由交流电网通过整流变压器与整流器所组成的整流设备而得到的。在高度现代化的今天，几乎在每一个领域都能直接地或间接地看到它的巨大用途。整流电路工业上常用的电联结方式是双反星形带平衡电抗器联结和三相桥式联结。双反星形带平衡电抗器整流电路多用在低压、大电流的电源中,因为在同样输出电流情况下,它比桥式整流少用一半整流器件,在同等功率情况下,变压器容量比三相桥式整流变压器高20左右；在电压较高的整流电路中,一般采用三相桥式整流电路,该电路的变压器利用率高,在同等直流功率情况下,可以使用最小容量的整流变压器,从而使整个设备的造价降低。由于电化学整流电源的最大特点是低电压、大电流、大容量,所以合理地设计整流装置的电联结形式有助于降低电磁干扰、提高器件的均流度和整流设备的电效率。在大功率设备中，整流变压器的二次电流很大，致使二次引线电抗及电抗压降增大，功率因数降低，并可能引起引线及出线端子周围产生局部过热现象。与此同时，整流元件之间的电流分配也可能出现不平衡现象。为了克服上述缺点通常采用同相逆并联的方法。所谓同相逆并联是将同相的整流元件分成两个电流相反的并联支路，这二个支路的引线相邻布置。这样一来，这二个支路的引线的电流在任何瞬间都是大小相等方向相反的。这样就大大降低的引线电抗，从而使整流设备的功率因数的提高，并使整流元件的电流分配趋于平衡。在众多整流电路中，双反星形带平衡电抗器的整流电路装置结构简单、需要的冷却功率较低，然而，整流装置的这一优势却带来了变压器部分的复杂性，其归根到底就是由于平衡电抗器的存在。平衡电抗器设置在变压器的外部，增加了土建面积，不仅对老厂改造有困难，就是新建工厂，一般也不可取。若设置在变压器内部，不仅增加了变压器的造价，而且大大的增加了设备的制造难度，使产品的可靠性受到影响。因此常采用五柱式铁心，不仅可以取消平衡电抗器，同时又可达到两组三相半波整流电路的顺利实现并联工作的目的。整流变压器也随着科技的发展采用的方法也不断的改进用以满足现在发展的需要，针对目前的不同的整流电路需要不同的整流变压器设计，双反星带平衡电抗器整流电路和桥式整流电路相比，在同样负载直流电流下因其臂电流平均值是桥式整流电路的一半，且管压降也是后者的一半，因而被广泛用在低电压大电流系统中，如铜电解，铝电解行业中。但由于增加了平衡电抗器也增加了变压器复杂性和很多隐患，取消平衡电抗器三相五柱式整流变压器恰恰克服了平衡电抗器的缺点，有着广泛的应用前景。2 整流方案的选择2.1 引言 目前整流电路的分类很多：1、按组成的器件可分为不可控电路、半控电路、全控电路三种。2、按电路结构可分为零式电路和桥式电路。3、按电网交流输入相数分为单相电路、三相电路和多相电路。4、按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。其中所有半波整流电路都是单拍电路，所有全波整流电路都是双拍电路。5、按控制方式可分为相控式电路和斩波式电路（斩波器）。6、 按引出方式的不同分中点引出整流电路，桥式整流电路，带平衡电抗器整流电路，环形整流电路，十二相整流电路。但应用最广泛的还是桥式整流电路和双反星整流电路。2.2 常用三相整流电路的比较和选择2.2.1 常用整流电路的比较三相半波整流电路的装置结构最简单。工作时，电流只通过一个整流臂，每个整流臂上并联的元件数按通过0.577id来确定。这种电路是研究复杂整流电路的基础。三相桥式整流电路是两组三相半波整流电路的串联组合。整流器工作时，负载电流依次通过两个整流臂，在一个周波内，负载电流依次通过六个整流臂为三相半波整流电路的两倍，所以使用的元件数也为三相半波整流电路的2倍。然而，三相桥式整流电路所用的变压器，在相同的技术参数条件下，有效材料的消耗量是三相半波整流电路的1/1.29，是双反星带平衡电抗器整流电路的1/1.21。双反星带平衡电抗器整流电路为两组三相半波整流电路的并联组合。虽然整流臂数同三相桥式，但整流电路为三相半波整流电路的2倍，而每个整流臂上的并联元件数，由于通过的电流也少一半，因此所使用的元件数与三相半波整流电路是完全相同的。由于臂电流数减少，则责每个整流臂上的汇流母线的用量也减少一半，冷却器冷却到1/4即可。但这种结构的致命弱点就是由于平衡电抗器的存在，使变压器的结构非常复杂，不仅有效材料为三相桥式的1.2倍，而且加工难度也较大。在考虑平衡电抗器的成本，造价增加25%左右。2.2.2 常用三相整流电路的选择整流电路的选择原则有5条10字，即所谓的“10字原则”。1.能用能用包括两个含义，一个是符合用户提出的基本电量参数；一个是满足当地供电部门关于谐波电流和功率因数的要求。两者缺一则不能用。对于第二个条件。容易被一些制造厂和订购部门忽略，造成设备安装好了而供电部门不让用的后果。2.可靠可靠是指在双方认可的标准规范内，根据这种整流电路选择整流设备有足够的电气稳定、动稳定和无渗漏现象。3.方便方便设计、制造、验收和维护。4.省钱省钱即经济性，这要兼顾购置设备和容量时的一次成本，也要注意到基本用电费和节约能源的长期经济效益。5.好看这是近年来研究的课题。包括整流设备的造型和表面处理，所谓艺术设计。根据以上原则三相半波整流电路只是理论分析的工具。对于三相桥式电路和双反星电路对比便可知道。桥式电路的整流器造价为双反星形电路的1.8倍到2倍左右；而变压器的造价后者为前者的1.2倍左右。变压器的造价为整流的17倍，容量越大，倍数越大。结合硅管反峰电压，当p6300kva时，应优先选用双反星电路。特别是三相五柱式双反星形电路的研制，为它的应用开辟了更广阔的前景。2.3 类型选择2.3.1 桥式图2.1桥式（a）桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成桥式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。桥式整流电路的工作原理如下：e2 为正半周时，对d1 、d3 和方向电压，dl，d3 导通；对d2 、d4 加反向电压，d2 、d4 截止。电路中构成e2 、dl、rfz 、d3 通电回路，在rfz ，上形成上正下负的半波整流电压，e2 为负半周时，对d2 、d4 加正向电压，d2 、d4 导通；对d1 、d3 加反向电压，d1 、d3 截止。电路中构成e2 、d2 rfz 、d4 通电回路，同样在rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。图2.1桥式（b）如此重复下去，结果在rfz ，上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图2.1中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。2.3.2 双反星双反星形的整流电路实际上是由两组三相半波整流电路并联而成，每组只供给总负载电流的一半，这样晶闸管并联的数量可比单纯的三相半波电路少一半，但是还存在两组电流平衡问题。我们采用低电压、大电流情况下带平衡电抗器的双反星形晶闸管整流电路。带平衡电抗器的双反星形晶闸管整流电路：整流变压器的次级每相有两个相同匝数的绕组，分别接成两组三相半波整流电路，即a、b、c一组和a、b、c一组。a与a绕在同一个铁芯上，其极性相反，或者说电压的相位差180。同样b与b同绕在一个铁芯柱上，c与c同绕在一个铁芯柱上，故得名双反星形电路，如图2.1所示。设两组的控制角=0，两组整流电压，电流波形如图2.2所示。在图中，两组相电压在相位上差180，因而两组相电流在相位上也差180，它们的高度相等，都是1/2id，以a相而言，相电流i0与i0出现的时刻虽然不同，但是它们的平均值都是1/3(1/2id)=1/6id，既然平均电流相等而绕组的极性是相反的，因此直流安匝互相抵消。图2.2双反星形整流电路同理，其它两相的直流安匝也是互相抵消的，利用绕组的极性相反来消除直流磁势。图2.3=0时电流电压波形在这种并联线路中，两个星形的中点联接着具有电感量为lp的电抗器。这是为了限制交变的环流。当电感量lp足够大，ip就可以减少，就可以使负载电流的分配比较平均。这个电抗器就叫平衡电抗器。在结构上，平均电抗器分成两半，每组整流电路各占有一半。电抗器的两个绕组都绕在同一铁芯上，由于两组共同向负载供电，使这两个绕组的极性形成相反方向，因此直流磁势互相抵消，电抗器的铁芯也就不会产生直流磁化和饱和的问题，因而电抗器的体积就可以做得比较小。反星形整流电路的固有缺点是：当负载电流id很小时，其外特性较差，如当ididmin时，特性按图2.4中曲线2变化。这样的外特性在使用中应尽量避开，不使负载电流小于规定的最小值。为了缩小这个范围，就要求平衡电抗器的激磁电流尽量地小，为此应加大lp的数值，一般设计还是按idmin为其负载电流额定值的1%2%计算。图2.4双反星形整流电路外特性双反星形整流电路的特点是：(1) 两相三相半波电路双反星形并联工作，得到的整流电压波形与六相整流的波形一样，所以整流电压的脉动情况比三相半波小得多。(2) 同时有两相导电，变压器磁路平衡，不存在直流磁化问题 。(3) 与六相半波整流电路相比，变压器次级绕组的利用率提高了一倍，所以变压器的设备容量比六相半波整流时要小。(4) 每一整流元件承担负载电流id的50%，当负载电流为id时，整流元件流过电流的有效值(电感性负载时)为0.289id，所以与其它整流电路相比，提高了整流元件的承受负载能力。2.3.3 选择理由根据设计要求所给数据：该课题要求以宁波金田冶炼有限公司电解净化用的整流电源为例：技术要求，交流进线电压10kv，3相，50hz，直流空载电压42.5 v到82v，直流输出电流11700a，采用变压器有载粗调可控硅细调方式。整流变压器容量计算在控制角=0和不考虑电网电压波动的情况下，见公式(2.1)ud=1.17=1.1782=95.94v (2.1) 因此可以方便的建立起变压器容量和整流功率之间的关系式：整流功率，见公式(2.2)pd= 1 122 498w (2.2)p=1.265p=1 414 347w (2.3) p=1.05p=1 178 622.9w (2.4) p=1.48p=1 661 297.04w (2.5) 从压降方面考虑：由于桥式和双反星都带整流二级管，并且桥式正常工作时有2个二级管同时导通，而双反星却只有一个，因此可知桥式整流电路的压降是双反星整流电路的2倍。1. 从效率方面考虑：效率= (2.6)2.从通过负载电流方面考虑: 桥式整流电路为0.471,而双反星整流电路为0.289。综合上述:可知选择双反星整流电路在各个方面都很合适。3 三相五柱式整流变压器的概述3.1 引言在众多整流电路中，双反星形带平衡电抗器的整流电路装置结构简单、需要冷却的功率数较低，使用且价格低廉，然而，整流装置的这一优势却带来了变压器的复杂性，归根到底就是由于平衡电抗器的存在。平衡电抗器设置在变压器的外部，增加的土建面积，不仅对老厂改造有困难，就是新建工厂，一般也是不可取的。若设置在变压器的内部，不仅增加了变压器的造价，而且大大增加了设备的制造难度，使产品的可靠性受到了影响。将平衡电抗器取消，又可达到两组三相半波整流电路顺利实现并联工作的目的，因此才用三相五柱铁心的整流变压器。三相五柱铁心在一次绕组连接成星形，二次绕组联结成双反星形的整流电路中，可以取消平衡电抗器，这只是五柱铁心的主要用途之一。它除了象巨型电力变压器那样具有降低运输高度的作用外，还有一主要用途，就是无论在双反星形并联整流电路中，还是在桥式整流电路中，都可以为分相调压产生的零序磁通提供回路。3.2 三相五柱式整流变压器的定义 一种双反星不带平衡电抗器的可控整流装置，主要由整流变压器、可控的硅整流设备组成，其中整流变压器的一次侧为三相星形接线，二次侧为六相星形中性点引出接线，整流变压器的磁路选用三相五柱式铁芯或三相壳式铁芯，可控器件可接在整流变压器的二次侧或一次侧。3.3 三相五柱式整流变压器的功能特点及应用3.3.1 三相五柱式整流变压器的功能特点可以为分相调压产生的零序磁通提供回路，改善了输出电能的质量。与现有技术比，该装置具有结构简单，适用范围广，成本低的特点，可在冶金、化工等行业作为可控直流电源，周期反向电解直流电源及其它可控周期断续供电直流电源应用。3.3.2 三相五柱式整流变压器的应用 额定容量302500kva，电压等级10、35kv，用于双反星形的整流电路中，可以取消平衡电抗器和减少调压电流冲击，且可降低运输高度。适用于安装场地受限制的变压器或应用于双反星形的整流系统。3.4 三相五柱式整流变压器物理本质双反星整流电路，一次绕组必须联结成星形。当电源给一次绕组励磁时，该电流在铁心内产生一个交变磁通。当二次侧绕组空载时，二次绕组的感应电势波形和一次绕组类似，在理想状况下，都是m相标准的正弦波形。当二次绕组有负载的时候，由于硅二极管的反向阻断作用，使一次绕组和二次绕组的感应电流共同产生的交变磁通，除了基波外，既包括了三相对称的高次谐波，也包括三相相位相同3倍频的高次谐波。三相对称的谐波磁通可以在三个心柱内自成回路，他们的向量和为零。而三相相位相同3倍频的谐波却不能在三个心柱式铁心内通过。对于三柱式铁心只能以结构件和箱壁构成回路，对于五柱式铁心，则可以通过旁轭构成回路。当二次侧绕组电位最高，电位其次时，二次绕组感应电流在理想情况下为矩形波。中三倍频谐波成分产生的三倍频谐波磁通对产生的主磁通起去磁作用。其对应的感应电压关系是，主磁通在各个绕组中感应的电压分别是、和，电位最高的是，而却产生一个反电势e，他起到降低、点电位，抬高、点电位的效果，使点和点的电位分别变为-e和+e。由于二次绕组联结成星形没有三倍频谐波电流的通路，不可能在一次绕组中产生三倍频谐波电流1去平衡二次绕组中的三倍频谐波电流2，因此，即使在负载电流较小的情况下，从分解出来的也可以产生足够的，使其感应电压e满足等式-e=+e的需要，达到整流臂和并联运行的目的。同理，和，和，和，和依次同时导通。因此，三相五柱铁心也和平衡电抗器一样，能够使两个三相半波整流电路并联运行。三相五柱式双反星形并联整流电路，不仅在理论上成立，在实际上也是可行的。3.5 三相五柱式整流变压器的数学论证三相五柱式半波并联电路整流电压瞬间时的表达式：假设为正星形的输出电压，为反星形的输出电压，/2为3倍频谐波磁通在二次绕组中感应的3倍频谐波电压，为正星形和反星形的输出电压的平均值。由于正星形的输出电压的相数均为3，故可将m=3,n=3k,代入整流电压瞬时值的公式（=（1-）可以得出，可见公式(3.1)。=1.17（1-） (3.1)如果不考虑三次谐波并联的功能，当正星形某一相到达最大值时，反星形中即将导通则落后60度电角度到达最大值，由此得出，可见公式(3.2)。=1.17（1-）=1.17 1- (3.2) 经过变化可以得出三倍频谐波电压，见公式（3.3）。 =1.17 （+） (3.3) 当正星形中的二次绕组电位最高，反星形中的二次绕组的电位其次，由于绕组中的与三倍频谐波电流对应的三倍频谐波电压的作用，使得正星形的整流电压降低到，反星形的整流电压降低到，即见公式(3.4)和(3.5)。=- (3.4)=+ (3.5) 比较（3）、（4）两个式子可知，由于三倍频谐波电压的作用，正反星形整流电压和不仅平均值相等，而且瞬时值也相等。这个就从数学上也证明了三相五柱式铁心完全可以取代平衡电抗器，达到使两组三相半波整流电路并联工作的目的。这时对应的整流电压值，在数值上等于和的平均值，也等于和的平均值，即见公式（3.6）。=（+）=（+）=1.17 1- (3.6) 三相五柱式半波并联整流电路无论从定性上，还是从定量上都说明了完全可以起到平衡电抗器式半波并联整流电路的作用。3.6 与带平衡电抗器整流变压器整流电路的性能比较3.6.1 三相带平衡电抗器整流变压器整流电路的原理图3.1双反星形整流电路带平衡电抗器的双反星形晶闸管整流电路：整流变压器的次级每相有两个相同匝数的绕组，分别接成两组三相半波整流电路，即a、b、c一组和a、b、c一组。a与a绕在同一个铁芯上，其极性相反，或者说电压的相位差180。同样b与b同绕在一个铁芯柱上，c与c同绕在一个铁芯柱上，故得名双反星形电路，如图3.1所示。设两组的控制角=0，两组整流电压，电流波形如图2所示。在图中，两组相电压在相位上差180，因而两组相电流在相位上也差180，它们的高度相等，都是1/2id，以a相而言，相电流i0与i0出现的时刻虽然不同，但是它们的平均值都是1/3(1/2id)=1/6id，既然平均电流相等而绕组的极性是相反的，因此直流安匝互相抵消。3.6.2 可靠性方面在平衡电抗器式半波并联整流电路（即双反星形带平衡电抗器并联整流电路）的整流变压器中，由于平衡电抗器的存在，不仅造成低压母排走向复杂，同时造成若干个低压高场强的危险点，而且众多的难于操作和检查的螺栓紧固处，很容易形成接触不良而造成局部过热，甚至接弧。而采用三相五柱半波整流电路的整流变压器，结构明显简化，从而提高了产品的可靠性。3.6.3 工艺方面带平衡电抗器的两组导线的导电时间完全相同，电流的方向正好相反，如果不慎，或者分不清、不加分析就将这一对母排穿过同一个平衡电抗器，将使平衡电抗器励磁电流相互抵消而失去作用。因此，带有平衡电抗器的的整流电路，对于同相逆并联的制造工艺措施要严格注意。而对于五柱式铁心责无此顾虑，由于两旁轭的存在，使得铁心中的三倍频谐波磁通或不对称分量中的零序磁通可以旁轭通过，而不必通过油箱，夹件等结构构成回路，从而大大地降低了这些结构上的附加损耗。3.6.4 耗材方面通过多台产品的比较说明，当直流电压为100v以下，两者材料相当，随着直流电压的升高五柱式省材料的优势就愈明显。下面以一产品为例说明：如有个化工厂，网侧电压为35kv，直流空载电压为254v，直流电流为16ka，双反星带平衡电抗器，同时逆并联电路，阻抗电压为8.5%，分别求出平衡电抗器式和三相五柱式的用材量。带平衡电抗器式： 铁心本体重为8600kg， 平衡电抗器（两支）为1550kg，共计重量为10170kg三相五柱式：铁心本体重为9100kg若相数越多，节约的硅钢片数量就更可观了。3.6.5 产品的艺术形象平衡电抗器式半波并联整流电路，由于要设置平衡电抗器，同时又要尽量降低制造成本，所以整流变压器的外观造型就很难满足艺术设计要求。现在三相五柱式半波并联整流电路取消了平衡电抗器，变压器油箱造型的自由度也就得到了极大的解放，更加有利于艺术设计工作的进行，使该产品艺术形象更加完美。4 变压器计算单设计4.1 概述整流变压器设计，特别是这种单器身的整流变压器设计，大部分与电力变压器相同。但以下问题，若在设计时不加以重视，甚至当作电力变压器一样来处理，将给工程带来不可避免的损失。1) 同相逆并联问题2) 谐波电流和移相3) 多期投产与分步设计由于单器身整流变压器无论是调压方式，还是性能都较简单，所以（2）、（3）问题并不很突出，而（1）问题则比较普遍。在该工程设计前，应将同相逆并联的问题展开分析。1. 一般概念整流变压器低电压大电流的特点造成导电母排的有效阻抗增大；变压器阀侧母排周围局部过热，严重者将封闭钢框架上部的木材点燃，这在华东某厂已有类似情况发生。后采取切断漏磁场产生的感应电流电路的办法，才避免事故的发生。由于大电流，还会使油箱等结构件的附加损耗增加，二次并联支路分配不平衡，从而降低整个整流机组的效率和功率因数等。为了消除这种现象，在国际上有两种防治措施：一种以德国西门子公司为代表，为了避免变压器引出端周围和整流柜的柜体局部发热，普遍采用非磁性材料。如用铝做变压器箱体，用不锈钢做整流柜骨架等，这种方法其实是一种治“标”的方法。另一种方法，即同相逆并联技术的应用。日本富士公司率先使用。这种方法使导电时间相同，电流方向相反的导体，两个为一组接近配置，由于往复导体电路电流互相相反，各自产生的交变磁通相互抵消，是一种较理想的治“本”的方法。这项技术应用后，大大减少了大电流母线的引线电抗，局部过热的现象也明显降低。当往复母排排列位置合理，可用普通钢板做100ka机组的构架。从而有效地、经济地提高整流机组的效率和功率因数。2. 常用结线形式常用的形式有两种。一种是三相桥式；一种是双反星形半波并联电路。三相桥式电路组成同相逆并联，阀侧绕组最少需要两个星形或两个三角形。不过，这两个星形或两个三角形必须一个正极性，另一个反极性。桥式双同相逆并联电路，每一组有两个同极性的星形绕组并联组成。当双反星形半波并联整流电流改为桥式整流电路时常采用这种形式。而双反星形半波并联电路组成同相逆并联，阀侧绕组最少需要四个星形。对于双反星形半波同相逆并联整流电路来说，由于每一绕组的出线端子只联结一个整流元件，所以绕组出线端子的标记与联结整流元件的出线端子的标记完全相同。端子标记中第一个数字表示属于同一组的组号，第二个数字表示导电顺序。3. 实施办法对于三相桥式整流电路画图就可以表达清楚，而双反星形带平衡电抗器电路就不只是用一两个图可以说明白的。当整流变压器采用双反星形带平衡电抗器整流方式，应用同相逆并联技术时，应重点澄清两个问题。（1）一对双反星形带平衡电抗器的电路能否实现同相逆并联。结论是否定的。因为一个导通周波的电角度为2,如无平衡电抗器，每个母排导电角为/3。由于两个星形中点引出电路经平衡电抗器